Разработка источников диффузионного легирования для производства кремниевых солнечных элементов

Исторически на первом этапе разработки метода диффузии из поверхностного источника для непосредственного нанесения на поверхность кремниевых пластин были использованы наиболее простые и доступные неорганические соединения, обладающие достаточной растворимостью в воде и в этиловом спирте: H3BO3, H3PO4, (NH4)3PO4, B2O3, Al(NO3)3 и т.д. Эта технология широко применялась в производстве силовых полупроводниковых приборов [9,10]. Растворы кислот или солей распыляют на кремниевые пластины из пульверизатора, капают из пипетки или наносят методом погружения пластин в раствор. Затем пластины после кратковременной сушки (для испарения растворителя) подвергаются высокотемпературной обработке при 1000 ч 1300°С для проведения диффузии.

Рассмотрим источники такого рода, когда в качестве источника бора используется борная кислота, а в качестве источника фосфора - ортофосфорная кислота. Данные поверхностные источники использовались в технологии изготовления высоковольтных таблеточных тиристоров [10].

При использовании в качестве диффузанта борной кислоты берется спиртовый раствор борной кислоты. Используя центрифугу, на поверхность пластины наносят слой раствора борной кислоты. После просушивания пластины загружают в кассету, которую плавно вводят в рабочую зону печи. Диффузия бора проводится при температуре 1050°С в течение заданного времени. Далее печь охлаждается до 800°С, после чего выгружается кассета с пластинами.

Создание электронного слоя с использованием поверхностного источника на основе ортофосфорной кислоты осуществлялось обычно в два приема. На первой стадии на одну поверхность пластины наносится две-три капли водного или спиртового раствора ортофосфорной кислоты, которые разгоняют по пластине с помощью центрифуги. Пластины высушивают и помещают в диффузионную установку, нагретую до температуры около 1050°С, на 20 - 30 мин (в зависимости от поверхностной концентрации акцепторов). После этого пластины извлекают из диффузионной установки, протравливают в плавиковой кислоте, а затем промывают в деионизованной воде, высушивают и помещают в диффузионную печь, нагретую до 1150 - 1250°С, где выдерживают заданное время.

Эти методы нанесения диффузанта обладают высокой производительностью, требуют несложного технологического оборудования. Диффузия проводится в открытой трубе, чаще всего на воздухе. Данные методы позволяют получать как низкие, так и высокие концентрации легирующей примеси, причем низкие концентрации - в одноступенчатом режиме без последующей разгонки. Нанесение диффузанта в виде растворов неорганических соединений на поверхность кремния дает возможность регулировать поверхностную концентрацию бора и фосфора в пределах 1017 ч 1021 см?3 в основном за счет изменения концентрации раствора. Однако растворы простых неорганических соединений не обладают пленкообразующей способностью, и после испарения растворителя на поверхности полупроводниковой пластины остается тонкий слой закристализовавшегося диффузанта. Поэтому ни нанесение капель спиртового раствора, ни напыление раствора из пульверизатора не обеспечивают в итоге однородного по толщине слоя диффузанта, а следовательно, и строгого контроля количества соединения легирующего элемента в слое на единице площади поверхности. В результате разброс величины поверхностного сопротивления при использовании этих источников диффузии может достигать 200 % и более как в пределах поверхности одной пластины, так и между пластинами [9].

Для повышения однородности слоя источника диффузанта рядом авторов было предложено закрепить атомы легирующих элементов в объеме окиси кремния.

1.1.6. Стеклообразные диффузанты

В качестве поверхностных источников диффундирующих примесей (бора, фосфора, галлия, индия, сурьмы) широкое применение нашли стеклообразные диффузанты - донорные и акцепторные стекла, обычно состоящие из нескольких электрически активных и неактивных компонентов, а также инертных наполнителей [11].

К электрически активным компонентам относятся окислы бора (B2O3), фосфора (P2O5), галлия (Ga2O3), индия (In2O3), таллия (Tl2O3), мышьяка (As2O3), сурьмы (Sb2O3) и лития (Li2O), которые придают необходимый тип проводимости исходным полупроводникам.

К электрически неактивным компонентам относятся различные окислы элементов IV группы Периодической системы: кремния (SiO2), германия (GeO и GeO2), олова (SnO), свинца (PbO и PbO2), а также аллюминия (Al2O3), которые придают диффузанту свойства стекла.

К инертным наполнителям, которые не имеют заметного влияния на тип проводимости диффузанта, но позволяют изменять термомеханические свойства стекла, относятся окислы щелочных, щелочноземельных и редкоземельных металлов: натрия (Na2O), калия (K2O), кальция (CaO), магния (MgO), бария (BaO) и лантана (La2O3). В качестве инертных наполнителей при изготовлении стеклообразных диффузантов используют также органические материалы в виде производных винила, которые деполимеризуются при повышенной температуре.

Типичными акцепторными диффузантами являются борные стекла следующих составов:

состав 1 включает 30 % B2O3, 10 % Al2O3, 50 % SiO2 и 10 % BaO;

состав 2 включает 13 % B2O3, 2 % Al2O3, 80 % SiO2 и 5 % Na2O.

При изготовлении этих стекол порошкообразные компоненты тщательно перемешивают и засыпают в органический растворитель. Образовавшуюся взвесь наносят кварцевой палочкой или распылителем на поверхность полупроводниковых пластин, которые помещают в термостат при температуре 100°С для удаления органического растворителя. Затем температуру повышают до 1200°С, при которой композиция плавится и покрывает поверхность полупроводниковой пластины ровным слоем стекла заданного состава [11]. Диффузия алюминия из стеклообразных диффузантов не происходит вследствие сильной связи алюминия с кислородом.

Типичным диффузантом донорной примеси является фосфорно-силикатное стекло следующего состава: 34,9 % P2O5, 25 % Al2O3, 14,7 % SiO2 и 25,4 % Na2O, которое приготовляют и используют так же, как борное. Кроме того, в качестве диффузанта используют соединение, имеющее состав (P2O5)x•(CaO)y, из диаграммы состояния которого видно, что оно имеет эвтектику, содержащую 7 - 8 % CaO и плавящуюся при температуре 500°С (рис. 1.4,а). Изготовление такого диффузанта не представляет трудностей: соответствующие количества порошков P2O5 и CaO смешивают и обжигают в сухом азоте при 900°С. В результате получают чистое твердое стекло. Молекулы CaO обладают очень большой стабильностью и при температуре диффузии не восстанавлеваются до чистого кальция, который мог бы диффундировать в полупроводниковый материал.

Рис 1.4. Диаграмма состояний соединений: а - пятиокиси фосфора - окиси кальция, б - окиси бора - двуокиси кремния.

Типичным диффузантом акцепторной примеси является боросиликатное стекло B2O3 - SiO2. Из диаграммы состояния (рис. 1.4,б) которого видно, что при диффузии из борного ангидрида на поверхности кремния присутствует жидкий слой боросиликатного стекла.

Для получения стекловидных пленок используют большей частью силикатные легкоплавкие стекла, получаемые путем сплавления двуокиси кремния с окислами других элементов. Сейчас установлены общие закономерности зависимости свойств стекла от состава [12], что позволяет заранее выбирать композиции, обладающие комплексом требуемых свойств. Предварительно сплавленное стекло затем измельчается (измельченное стекло носит название фритты). К размеру частиц фритты предъявляются строгие требования. Например, в [13,14] указывается, что для получения тонких стекловидных пленок необходимо измельчать частицы исходного стекла до 1 мкм и мельче. Для получения фритты с такой высокой дисперсностью частиц применяют сначала виброизмельчение, а затем длительный мокрый помол в шаровой мельнице. Продолжительность измельчения в вибромельнице составляет 2 - 3, а в шаровой - 140 - 150 час. Далее измельченная фритта подвергается отстаиванию в смеси этилового и изопропилового спиртов [14]. Крупные частицы собираются на дне в течение первого периода отстаивания, а более мелкие удерживаются во взвешенном состоянии. Такую суспензию используют для осаждения из нее тонкого слоя порошка стекла на поверхность полупроводниковых пластин с помощью центрифуги. Процесс осаждения длится 2 - 3 мин. при скорости вращения центрифуги 4000 об.•мин.?1.

Считается, что особое внимание должно быть уделено выбору подходящей дисперсионной среды, которая должна легко испаряться.

Методом наплавления создают только пленки из легкоплавких силикатных (или других) стекол. Метод прост. Основным недостатком таких пленок является содержание в них посторонних примесей, попадающих в фритту из материала мелющих тел и футеровки мельниц при длительном помоле.

1.1.7. Легированные окислы

Одним из методов, позволяющих в широких пределах варьировать поверхностную концентрацию, является диффузия из легированных окислов. Помимо возможности варьирования поверхностной концентрации, метод позволяет осуществлять локальную диффузию (не только в том смысле, что диффузия будет идти в участки поверхности кремния, не защищенные маскирующим слоем, но и в том смысле, что она будет происходить только там, куда нанесен легированный окисел). Сущность метода заключается в том, что на всю поверхность кремниевой пластины или на какие-либо ее участки перед диффузией наносится слой двуокиси кремния, легированный в необходимой степени заданной примесью. Этот слой окисла является источником диффундирующих атомов. Для создания такого легированного окисла может, например, использоваться метод пиролитического разложения [14] или метод получения легированных пленок из пленкообразующих растворов. Второй метод будет рассмотрен более подробно, так как он находит применение для промышленного изготовления современных кремниевых солнечных элементов.

1.1.7.1. Получение пленок стекла методом пиролитического разложения

Пиролизом принято называть процесс термического разложения химических соединений, при котором выделяется твердое пленкообразующее вещество и летучие ингридиенты. Обычно процесс термического разложения осуществляют в инертном газе или в вакууме. В последнем случае вакуумированный объем заполняется парами вещества, подвергающегося пиролитическому разложению. Процесс пиролиза протекает легко. Он возбуждается нагреванием до такой температуры, при которой начинается деструкция молекулы на составляющие ее атомы и группы атомов.

В зависимости от исходного вещества путем пиролиза можно получать оксидные, металлические, неметаллические и другие виды пленок. Наиболее широко распространен пиролиз кремнийоксиорганических соединений [14], при котором в качестве твердого продукта реакции выделяется двуокись кремния:

700°С

C2H5Si(OC2H5) > SiO2.

В лабораторной и промышленной практике элементоксиорганические соединения разлагают в нагретом объеме, а образующиеся при разложении окислы направляют через насадку. Истекающую из насадки струю направляют на поверхность покрываемой пластины.

Следует подчеркнуть, что пиролизом можно получать окислы различных элементов, для чего в качестве исходных материалов необходимо брать соответствующие элементоксиорганические соединения. Условия, при которых осуществляется пиролиз, для каждого соединения подбираются экспериментальным путем. Некоторые примеры исходных веществ и образующихся из них пленок приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1.

Кроме давления и температуры на кинетику процесса пиролитического разложения существенное влияние оказывает состав газовой среды. Экспериментально установлено, что винилтриэтоксисилан разлагается при 600-700°С, а тетраэтоксисилан - при 728-840°С [14]. Введение же кислорода в качестве газа-переносчика в реакционное пространство позволяет снизить температуру деструкции указанных кремнеорганических эфиров до 350°С .

Методом пиролиза можно также получать пленки, состоящие из окислов двух и более элементов. При использовании стеклообразующих окислов можно получать стекловидные пленки. В [6] рассмотрен способ получения легированной двуокиси кремния. При этом пластины кремния помещают в печь при не очень высокой температуре (750°С) и над ними пропускают пары алкоксисилана, легированного, например, триметилборатом или трипропилборатом (в случае диффузии бора) или триметилфосфатом (в случае диффузии фосфора). Попадая на поверхность кремниевых пластин, пары силана разлагаются и образуют слой легированного окисла.

Пластина с нанесенным легированным окислом помещается в печь с потоком нейтрального газа, и при температуре осуществляется диффузионная выдержка. Если несущий газ содержит кислород, то граничащие с кремнием слои источника могут обедняться за время порядка 1 ч. При использовании в качестве лигатуры триметилбората возможно получение поверхностной концентрации бора от 1018 до 1020 см-3, а в случае применения трипропилбората поверхностная концентрация может меняться в пределах от 1017 до 1019 см-3. Окислы, легированные триметилфосфатом, позволяют менять поверхностную концентрацию фосфора от 1019 до 2•1020 см-3. (Все эти данные для диапазона температур 1100 - 1300°С.) Метод позволяет обеспечить довольно малый разброс поверхностной концентрации (4 - 5 %).

Однако поскольку перенос вещества, содержащего диффузант, осуществляется в газообразной среде, этому методу присущи некоторые недостатки, связанные в первую очередь с процессом переноса компонент осаждаемого слоя. К их числу следует отнести следующие [14]:

1. Трудность обеспечения точной дозировки примеси. Количество осаждаемой примеси по указанному методу определяется расходом газа, температурой смеси органосилана и легирующего вещества, температурой полупроводниковой пластины, временем проведения процесса. Точность дозировки примеси определяется точностью поддержания указанных параметров.

2. Неравномерность распределения диффузанта по поверхности полупроводниковой пластины, вызываемая турбулентностью потока компонент в реакторе.

3. Нелинейность зависимости количества диффузанта в осаждаемом слое от процентного содержания смеси.

4. Длительность процесса нанесения и сложность используемого оборудования для пиролитического разложения, обеспечивающего высокую чистоту процесса.

1.1.7.2. Источники, полученные осаждением пленок стекла из пленкообразующих растворов

Для создания силикатных пленок в сравнительно "мягких" условиях представляется перспективным применение пленкообразующих растворов, содержащих соединения, разлагающиеся при сравнительно низких температурах. Это могут быть продукты гидролитической поликонденсации таких кремнеорганических эфиров, как, например, этиловый или бутиловый эфир ортокремневой кислоты, либо таких соединений, как диметилэтоксихлорсилан, которые при гидролитической поликонденсации образуют силоксановые цепи, склонные образовывать полимеры. Если нанести подобный раствор на твердую поверхность, то после испарения растворителя на поверхности останется пленка. Последующая кратковременная термоокислительная деструкция при температурах 250 - 700°С превращает пленку в стекловидную.

Наиболее известным методом получения пленок SiO2 из пленкообразующих растворов является метод, когда в качестве исходных кремнийорганических соединений используются алкоксисиланы [13,14]. По своей химической структуре эти соединения представляют собой гидрид кремния Sigh4, в котором все атомы водорода замещены радикальными группами. Например, в тетраэтоксисилане (ТЭС) Si(OC2H5)4 эти группы имеют состав (OC2H5). Следует заметить, что тераэтоксисилан имеет несколько синонимов, наиболее распространенными являются: этилсиликат, этиловый эфир ортокремневой кислоты, тетраэтоксикремний, тетраэтилоксисилан, тетраэтилортосиликат, промышленное название - этилсиликат-40 (40 % SiO2) [15]. Другие этоксисиланы содержат одну-три группы (OC2H5), а остальные радикалы у кремния замещены какими-либо другими органическими группами. При нормальных условиях эти соединения представляют собой жидкости, пары которых разлагаются в диапазоне 600 - 900°С. Процесс получения пленок SiO2 осуществляется в три стадии: получение пленкообразующего раствора, нанесение пленки и ее термодеструкция. Рассмотрим его на примере использования в качестве исходного соединения тетраэтоксисилана Si(OC2H5)4 [14].

При получении пленкообразующего раствора вначале осуществляют гидролиз исходного соединения:

Далее, вводя катализатор (соляную кислоту), осуществляют реакцию поликонденсации гидроксильных групп с образованием силоксановых связей:

Р Р Р Р

- Si - OH + HO - Si - > - Si - O - Si - + H2O.

Р Р Р Р

В результате этой реакции раствор приобретает пленкообразующие свойства. В раствор могут вводиться растворитель (ацетон, этиловый спирт), а также легирующие элементы, например в виде азотнокислых солей.

Для нанесения этих пленкообразующих растворов на поверхности разработаны разные способы:

1. Погружение покрываемой пластины в пленкообразующий раствор. Способ наиболее экономичен. Толщина образующейся пленки зависит от многих факторов, среди них такие, как концеттрация раствора, скорость подъема пластины, угол наклона ее относительно поверхности раствора, вязкость раствора. Образование пленки сразу же и фиксируется изменением интерфененционной окраски. Особенностью этого способа является опускание уровня раствора (а не извлечение пластины из раствора).

2. Распыление или пульверизация пленкообразующего раствора. Этот способ менее экономичен вследствие большого расхода жидкости, требует тонкого распыления до едва заметного тумана. Раствор обычно напыляют на нагретую до 100 - 400°С пластину. Модификация этого метода состоит в том, что покрываемая пластина вращается, а на нее последовательно направляют сопла, распыляющие пленкообразующие растворы.

3. Нанесение пленкообразующего раствора пипеткой на выпуклую или плоскую поверхность, которая вращается с фиксированной скоростью. В этом случае расход раствора незначителен. Пленка формируется сразу же по мере испарения легколетучих растворителей еще в период центробежного разбрасывания раствора в результате вращательного движения, сообщенного пластине. Затем может быть применена термообработка пленки.

Наиболее применимым в технологии изготовления СЭ на сегодняшнее время является метод центрифугирования, когда пипеткой на полупроводниковые пластины наносится раствор заданного состава.

1.1.7.2.1. Приготовление пленкообразующих растворов, их нанесение и термодеструкция

Технология приготовления пленкообразующих растворов, их нанесение и термодеструкция играет исключительно важную роль в процессе создания диффузионных слоев данным методом. Наиболее полно этот вопрос освещен в [14 ].

Например, описывается получение пленкообразующих растворов путем проведения гидролиза этилового эфира ортокремневой кислоты в две стадии. Процесс осуществляют путем смешивания 130 мл этилового эфира ортокремневой кислоты (ТЭС) с 60 мл 86 %-ного спирта, 20 мл воды и 2 капель концентрированной соляной кислоты. Через час к раствору приливают еще 90 мл ТЭС, и раствор оставляют на сутки при комнатной температуре. Для получения более глубоко гидролизованного продукта вносят 20 мл разбавленной (1: 5) соляной кислоты в 100 мл полученного раствора и через час вливают при перемешивании 100 мл воды.

Другим методом пленкообразующий раствор получают осуществляя гидролиз ТЭС солятой кислотой в количестве 0,6 мл плотностью 1,19 в 98 %-ном этиловом спирте. При этом на 0,04 - 0,12 г-моля HCl берется 1 г-моль ТЭС и 4 моля воды. В качестве растворителя применяют также ацетон. В таком растворе пленкообразующие свойства проявляются не сразу, а токда, когда в основной массе пленкообразующего раствора вместо ТЭС будет находиться продукт его гидролитической поликонденсации Si2O(OC2H5)6 и небольшое количество соединений, содержащих 3, 4 или 5 атомов кремния. При нанесении этих растворов на вращающуюся подложку испаряются летучие компоненты и образуется оводненная полиэфирная пленка, которая последующим прогреванием при 230°С и более высоких температурах превращается в кремнеземную.

Широкое практическое применение пленкообразующих растворов для получения силикатных пленок затруднено отсутствием данных об их свойствах. В литературе имеются лишь отрывочные, единичные сведения по рецептуре их приготовления. Способность этих растворов изменять свои свойства во времени также, видимо, затрудняет их использование.

Как показали исследования [14], весьма легко осуществимо применение растворов неполностью полимеризованного ТЭС для создания пленки на полупроводниковом кремнии. Для этого необходимо провести частичную гидролитическую поликонденсацию ТЭС смесью, содержащей н-бутиловый спирт, воду, кислоту, этиловый спирт, диоксан и др. Например, можно исходить из следующих соотношений: на 1 моль ТЭС взять 2 - 6 молей этилового и 4 - 7 молей н-бутилового спирта, 6 - 8 молей воды и несколько десятитысячных моля соляной кислоты. Смешать компоненты растворителя (спирты, вода и кислота), а затем при перемешивании внести необходимое количество ТЭС. Возможность получения пленки из этих растворов устанавливают опытным путем. Для этого через определенные промежутки времени наносят ~ 0,5 мл раствора на полированную пластину кремния, закрепленную вакуумным присосом на оси центрифуги, сообщают ей вращательное движение. Появление интерференционной окраски и равномерное распределение пленки по поверхности - признак того, что раствор годен к применению. Сроки хранения и склонность к образованию пленки различны для растворов, отличающихся между собой соотношением компонентов. Для каждого состава рабочего раствора эти сроки устанавливаются экспериментально при строго фиксированной скорости вращения пластины. При длительном хранении растворов процесс гидролиза проходит глубже. Это ведет к увеличению вязкости раствора и, следовательно, получению более толстых пленок при той же скорости вращения пластины.

Промежуток времени от момента возбуждения гидролиза до появления пленкообразующих свойств, связанных с химическими и структурными превращениями, получил название времени созревания растворов. Созревшие растворы пригодны для нанесения последовательно большого количества слоев. При этом следует проводить между нанесением слоев промежуточную термообработку при 600 - 800°С в течение 1 мин. Таким путем можно увеличить толщину пленки, например от 0,3 до нескольких микрометров. Созревание растворов сменяется старением. На этой стадии растворы теряют подвижность, исчезают их пленкообразующие свойства.

Влияние на скорость процесса гидролитической поликонденсации ТЭС таких факторов, как состав гомогенной среды, количество этилового спирта, воды и кислоты хорошо прослеживается по тому, как меняется динамическая вязкость во времени при изменении этих факторов.

В [14] установлено, что процесс, приводящий к появлению пленкообразующих свойств у растворов, протекает быстрее при увеличении количества взятой воды, уменьшении кислотности среды и уменьшении количества этилового спирта. Замена ацетона простыми спиртами также усиливает процесс гидролиза, при этом чем выше молекулярный вес спирта, тем сильнее это проявляется.

Исходя из практического опыта, полученного в результате экспериментов [14], установлено, что более равномерные по толщине пленки получаются тогда, когда гомогенной средой является смесь бутилового и этилового спиртов или бутилового спирта и ацетона. В связи с этим обстоятельством представляется особенно целесообразным применение в качестве гомогенной среды смеси указанных растворителей в соотношениях 2 : 1, 1 : 1, 1 : 2.

Пленкообразующие растворы со временем становятся более вязкими и поэтому толщина получаемых пленок тоже возрастает. Кроме того, толщина получаемой пленки зависит и от скорости вращения центрифуги.

Таким образом, для получения пленок одинаковой толщины следует использовать растворы одинакового возраста и наносить их при одном и том же числе оборотов центрифуги.

Приготовление растворов, предназначенных для получения многокомпонентных силикатных пленок, содержащих бор, фосфор, мышьяк, золото или другие элементы, осуществляется путем проведения гидролитической поликонденсации ТЭС с введением соответствующих солей или их соединений [14]. Основное условие при этом - возможность растворения солей или других соединений в гомогенной среде и низкие температуры их разложения. Как известно, этими качествами обладают перечисленные выше азотнокислые соли. В процессе приготовления растворов сначала растворяют соли в смеси воды с органическими растворителями, затем вливают ТЭС. Если количество солей составляет 3 - 7 % от общей массы раствора, то раствор становится пленкообразующим через 30 мин.

Качество получаемой из растворов пленки зависит от чистоты покрываемой поверхности, чистоты воздуха в помещении, где наносят пленки, срока хранения растворов и скорости вращения подложки.

Окончательное формирование стекловидной пленки, т.е. проведение термодеструкции полимера осуществляется в атмосфере воздуха при 600 - 800°С в течение 1 мин. Этот процесс осуществляют в электрической печи, применяемой обычно для проведения диффузии примесей из пленки в полупроводник. Температура деструкции поддерживается с точностью ± 10°С.

До термодеструкции пленка может быть названа полимером, в котором равномерно распределены молекулы введенных солей. В процессе термодеструкции происходит одновременно окисление полимера и превращение его в кремнезем, разложение азотнокислых солей или других соединений. Следует отметить, что эти процессы протекают при температуре на несколько сотен градусов ниже температуры формирования стекловидных пленок из смеси порошков. Такое резкое снижение температуры формирования стекловидных пленок из растворов обусловлено применением растворов, в которых будущая твердая фаза находится в состоянии молекулярной дисперсности. Это обстоятельство делает весьма перспективным применение пленкообразующих растворов полиоксисоединений кремния в технологии создания солнечных элементов. Кремнеземные пленки, легированные примесями, могут служить источником примесей при осуществлении их диффузии в полупроводник.

Метод получения пленок из пленкообразующих растворов с помощью центрифужного нанесения может применяться только для создания тонкослойных покрытий на плоских образцах и на пластинах с неглубоким рельефом поверхности. Состав получаемых пленок лимитируется растворимостью исходных компонентов в спирте и в воде.

Преимущество способа заключается в том, что он позволяет получать при низких температурах силикатные пленки, богатые кремнеземом (30 - 99,9 % SiO2), т.е. те составы, которые требуют температуры выше 1100°С для наплавления на поверхность полупроводника из смеси порошков. При температуре выше 1100°С уже могут возникать нарушения электрофизических свойств у полупроводниковых структур.

Предлагаемый способ достаточно прост, легко вписывается в технологию, применяемую обычно при изготовлении полупроводниковых устройств, и поэтому не требует дополнительного оборудования.

1.1.7.2.2. Диффузия бора и фосфора в кремний из пленок двуокиси кремния, полученных из пленкообразующих растворов

Способ диффузии из легированных слоев двуокиси кремния, полученных путем осаждения из пленкообразующих растворов лишен недостатков, присущих методу, основанному на пиролитическом разложении органоксисиланов (см. 1.1.7.1). Этот способ получения пленки, содержащей диффузант обладает следующими преимуществами [14]:

1. Высокая точность дозировки примеси в окисном слое. Дозировка примеси определяется лишь концентрацией содержащего диффузант вещества в исходном растворе. Точность этой концентрации зависит только от точности взвешивания на аналитических весах и точности приготовления раствора.

2. Возможность плавной регулировки поверхностной концентрации примесей в широком диапазоне.

3. Равномерность распределения диффузанта по поверхности пластины. Высокая равномерность обусловлена тем, что в процессе получения пленки не используется присущий известным способам диффузии перенос диффузанта с помощью газообразного потока. Неравномерность диффузанта может быть вызвана лишь недостаточной гомогенностью раствора и неоднородностью толщины наносимой пленки. Подбором соответствующего режима центрифугирования и пульверизации удается получить достаточно высокую равномерность толщины пленки по пластине.

4. Малая длительность процесса и простота используемого оборудования.

В качестве диффузантов для диффузии фосфора может использоваться фосфорный ангидрид, для диффузии бора - борный ангидрид [8, 11, 14], также есть сведения, что при диффузии фосфора может быть использована ортофосфорная кислота.

Для достижения заданного уровня легирования полупроводника примесью при диффузии из окисных пленок, полученных осаждением из пленкообразующих растворов, важно знать зависимость концентрации примеси в пленке от весового процентного содержания ангидрида диффузанта в пленке.

Экспериментальные исследования показали, что для некоторых веществ-диффузантов существует предельное значение их весового содержания в растворе, выше которого гомогенность раствора нарушается. С целью получения достаточной воспроизводимости процесса диффузии весовое содержание вещества-диффузанта должно быть взято ниже того предельного значения, которое приведет к насыщению раствора.

Далее будут приведены результаты исследований авторов [14] по диффузии бора и фосфора из стекловидных пленок, полученных нанесением из

раствора способом, изложенным выше.

Было показано, что толщина наносимых пленок, содержащих B2O3, зависит от содержания в них борного ангидрида и скорости вращения центрифуги. Наблюдалось увеличение толщины пленки с увеличением содержания борного ангидрида, что, по-видимому, обусловлено ростом суммарной концентрации компонентов и вязкости пленкообразующего раствора.

Регулирование поверхностной концентрации примеси в широких пределах помимо изменения количества легирующего компонента в исходном пленкообразующем составе можно производить также с помощью состава окружающей среды, в которой проводится диффузия. Изменения поверхностной концентрации в процессе диффузии с использованием различных газов могут быть объяснены химической сущностью процесса восстановления окисла примеси. Эти окислы используются в качестве транспортирующих агентов и для осуществления легирования кремния элементарной примесью должны восстанавливаться на поверхности раздела SiO2 - Si.

Если R обозначить химическую примесь, а RO - его окисел, то процесс восстановления протекает по формуле 2RO + Si ? SiO2 + 2R. Характер изменения свободной энергии этой реакции говорит о том, что прямая реакция диссоциации окисла 2RO ? 2R + O2 при этом исключается. Одновременно с реакцией восстановления происходит также и окисление кремния по формуле Si + O2 ? SiO2.

При увеличении концентрации кислорода третья реакция смещается вправо, уменьшая концентрацию кремния. Это в свою очередь вызывает затем сдвиг первой реакции влево и тем самым понижает концентрацию первоначальной примеси, использующейся в процессе диффузии. Если диффузионный процесс проводится в атмосфере кислорода, то, кроме того, по мере повышения в окружающей среде концентрации кислорода происходит формирование окисла на поверхности раздела легированного окисла и кремния и концентрация на поверхности еще более уменьшается.

Как показали исследования, с ростом содержания фосфорного ангидрида толщина пленки существенно увеличивается, что обусловлено повышением вязкости раствора. Пленки обладают прочным сцеплением с покрываемой поверхностью и легко травятся в слабом растворе плавиковой кислоты.

1.2. Технология диффузии примесей в кремний

Вы*бор подходящего источника диффузии зависит от метода проведения диффузии. К примеру, любое соединение бора, также как и элементарный бор, может служить источником диффузии бора в зависимости от выбранного метода. Однако оптимальные результаты можно получить только при комплексном решении проблемы, включающем выбор источника, метода диффузии и соответствующего оборудования. Поэтому в связи с созданием или усовершенствованием источника диффузии целесообразно рассмотреть современные методы диффузии и основные рекомендуемые для них источники.

В настоящее время можно выделить два основных направления, в рамках которых группируются методы получения однородной и регулируемой поверхностной концентрации с хорошей воспроизводимостью результатов:

- нанесение диффузанта на пластины кремния в ходе диффузии; при этом разрабатываются методы регулирования количества соединения примеси в атмосфере, окружающей кремниевые пластины во время диффузии;

- нанесение диффузанта на пластины кремния до диффузии; здесь основное внимание уделяется методам регулирования количества соединения примеси, наносимой на пластины перед диффузией, а также путям повышения степени однородности нанесенного слоя.

Первое направление отличается большим разнообразием путей транспортировки диффузанта к пластинам кремния, а также сложностью технологической оснастки и вспомогательных процессов. Наибольшего применения в электронной промышленности при производстве полупроводниковых приборов и микросхем получил метод открытой трубы в потоке газа-носителя..

Второе направление - нанесение диффузантов на полупроводниковые пластины перед высокотемпературной термообработкой. Оно требует несложного технологического оборудования. Диффузия проводится в открытой трубе, чаще всего на воздухе.

1.2.1. Диффузия в запаянной и откачанной кварцевой ампуле

При проведении диффузии в замкнутом объеме пластины кремния помещаются вместе с некоторым количеством примеси в ампулу из кварца, которая откачивается до 10?4 - 10?5 мм рт. ст. и отпаивается [16]. В некоторых случаях ампула заполняется перед отпайкой чистым инертным газом. Затем ампулу помещают в камерную силитовую печь, нагретую до температуры, при которой проводится диффузия. Вследствие возгонки легирующего элемента в ампуле создается давление паров примеси. Атомы легирующей примеси адсорбируются на поверхности кремниевой пластины и диффундируют в поверхностные слои полупроводника. При таком методе практически всегда соблюдаются условия, при которых количество атомов примеси в паровой фазе много больше количества атомов примеси, диффундирующих в кремний. Поверхностную концентрацию примеси можно менять в широких пределах, меняя концентрацию примеси в газовой фазе, т.е. давлением паров диффузанта, температуру диффузионного процесса и время диффузии.

В идеальном случае равновесная концентрация пропорциональна давлению пара диффузанта, и контроль давления пара является удобным средством управления поверхностной концентрацией примеси. Необходимо заметить, что равновесная поверхностная концентрация устанавливается не сразу, а в течение некоторого времени, иногда достаточно большого. Если равновесие на поверхности достигается за время, меньшее, чем время диффузии, то поверхностную концентрацию можно считать постоянной. При проведении процесса диффузии в закрытой ампуле такое условие в большинстве случаев соблюдается, поэтому распределение примеси описывается дополнительной функцией интеграла ошибок.

Иногда при диффузии в откачанной ампуле на поверхности кремниевой пластины может образовываться слой двуокиси кремния, который будет препятствовать диффузии атомов примеси в кремний.

При определенных условиях, например, в случае больших парциальных давлений, концентрация примеси может быть такой, что на поверхности пластины будет образовываться слой вещества в жидкой фазе, который может также препятствовать диффузии атомов примеси в полупроводник.

а) б)

Рис. 1.5. Схема установок для проведения процессов диффузии примесей в кремний в закрытом объеме: а - диффузия бора, б - диффузия фосфора. 1 - силитовая высокотемпературная печь; 2 - кварцевая запаянная ампула; 3 - пластины кремния; 4 - лодочка с диффузантом; 5 - низкотемпературная печь.

На рис. 1.5 приведены схемы установки для проведения диффузии в кремний в закрытом объеме. Если в качестве диффузанта используют элемент, обладающий очень высоким давлением пара при температуре диффузии (например, фосфор), то используют замкнутую систему, представляющую собой откачанную ампулу с отростком. В отростке находится источник примеси, температура которого может регулироваться независимо от температуры пластин кремния (рис 1.5, б). Такая же ампула с отростком может быть использована в случае применения диффузанта с низким парциальным давлением при температуре диффузии, когда необходимо в широких пределах регулировать поверхностную концентрацию примеси на пластинах кремния.

При проведении диффузии в закрытом объеме следует учитывать зависимость давления паров диффузанта от температуры. Для некоторых примесей (фосфор, мышьяк, сурьма) при высокой температуре давление паров настолько сильно увеличивается, что ампула может разорваться.

Поверхностная концентрация примеси, полученная в системе запаянной ампулы, соответствует предельной растворимости примеси при температуре диффузии; поскольку источник бесконечен, его поверхность должна быть намного больше поверхности системы в состоянии равновесия. В этом случае, например, используется гранулированный источник примеси. Продолжительность диффузии также должна быть значительной, чтобы и поверхность подложки, и стенки ампулы находились в равновесии. Поэтому такая система больше подходит для формирования глубоких слоев, поверхностная концентрация которых не ниже максимальной растворимости примеси при температуре диффузии в кремнии.

Хотя этот метод и позволяет получить достаточно высокие значения поверхностной концентрации, тем не менее для получения заранее заданной величины, а также невысоких значений поверхностной концентрации он ненадежен, в частности, из-за взаимодействия диффузанта с материалом ампулы [9].

При диффузии в ампулах пригодны газообразные, жидкие и твердые источники примеси, например BF3 и B2O3, элементарный красный фосфор, P2O5, PCl3 или PH3, а также измельченный в порошок кремний или его диоксид, содержащие достаточное количество примеси [3].

Недостатки метода диффузии в замкнутом объеме заключаются в следующем:

1) невозможность раздельного управления поверхностной концентрацией и температурой диффузии;

2) сравнительно низкая производительность и большой расход дорогостоящего плавленного кварца, так как после каждого процесса диффузии ампула разбивается для извлечения из нее пластин кремния.

Диффузия в запаянных ампулах не нашла широкого применения из-за низкой производительности и недостаточной воспроизводительности результатов.

1.2.2. Метод открытой трубы

Метод диффузии в открытой трубе лишен указанных выше недостатков метода диффузии в запаянной ампуле. В этом методе в высокотемпературную печь помещается кварцевая труба с пластинами кремния, выходной конец которой открыт в атмосферу. Через входной конец трубы подается газ (необязательно инертный), в который из первичного источника диффузии поступают соединения примеси. Источник примеси может быть твердым, жидким или газообразным. В первых двух случаях необходимое давление паров получают, подогревая первичный источник. Наиболее широко используются такие источники диффузии, как H3BO3, BBr3, BCl3, B2H6, P2O5, (NH4)3PO4, POCl3, PBr3, PH3 [3].

Рассмотрим схему установки для проведения диффузии методом открытой трубы. Схема современной установки представлена на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Схема рабочей камеры диффузионной печи.

Собственно камера представляет собой кварцевую (или керамическую) трубу 1, снабженную резистивными нагревателями 2 (3 секции с независимым регулированием температуры). Крайние секции поддерживают малый градиент температуры, обеспечивающий средней секции рабочую температуру до 1250°С с высокой точностью (до ± 0,25°С). Именно в этой части камеры на кварцевом (или керамическом) держателе 3 располагаются обрабатываемые пластины 4, имеющие на рабочей поверхности оксидную маску. При выполнении загонки примеси или одностадийного процесса диффузии в камеру из внешнего источника непрерывно подается диффузант, представляющий смесь легирующей примеси (акцептор бор или донор фосфор) с транспортирующим газом (аргон). Такая установка используется при диффузии из жидких и газообразных источников.

В случае применения жидкого источника если газ насыщен примесью, то его концентрация в кремнии зависит только от температуры жидкого источника и рабочей температуры диффузии, но не от потока. Если в качестве жидких источников применяются галогены, то это способствует уменьшению загрязнения реактора ионами металлов и формированию бездефектных областей, содержащих активные элементы. Однако при этом возможно локальное растворение полупроводника и появление матовости на поверхности кремниевых пластин [3].

Однородность поверхностной концентрации примеси в кремнии при постоянной температуре диффузии определяется распределением давления паров образующегося окисла примеси в рабочей зоне диффузионной печи.

При работе с газообразным источником диффузанта используют баллон, содержащий смесь PH3 (или B2H6) и инертного газа, например аргона. Газом-носителем может служить азот в смеси с кислородом.

При диффузии методом открытой трубы с использованием твердого источника тигель с источником в виде порошка находится в реакторе со стороны подачи газа-носителя перед лодочкой с пластинами кремния (или даже под ней). Однородность легирования в сильной степени зависит от давления паров источника, поэтому для его регулирования температура последнего устанавливается ниже температуры диффузии путем использования печи с двумя нагревательными камерами (см. рис. 1.3). Состав несущего газа должен быть таким, чтобы не происходило окисления пластин полупроводника. Пленка окиси, если она образуется, может препятствовать проникновению примеси внутрь образцов кремния.

Наблюдаются случаи, когда в трубчатой двухзонной печи при использовании в качестве газов-носителей аргона или азота происходит эрозия поверхности кремния. Это явление может быть устранено, если добавить в газ-носитель небольшое количество кислорода. Для этого на входе в кварцевую трубу имеются два подводящих газ патрубка. По одному из них может подаваться основной инертный газ-носитель, по другому - кислород (или пары воды). При входе в трубу эти газы перемешиваются и затем поступают в зоны печи, где находятся диффузант и кремниевые образцы.

Обычно расход газа-носителя регулируют в пределах 0,5 - 1,5 л/мин с помощью ротаметров, установленных на входе печи [16]. Изменение расхода в указанных пределах не оказывает заметного влияния на результаты диффузии. При очень больших расходах газа появляется эрозия кремния. Скорость потока газов-реагентов (газообразных источников диффузии) определяет концентрацию легирующих примесей в кремнии; скорость потока газов-носителей влияет на стабильность температуры в трубе и на однородность концентрации газов-реагентов в той части диффузионной трубы, где помещаются пластины кремния.

Из-за вредности многих элементов, применяемых для диффузии в кремний, следует обратить особое внимание на необходимость удаления в вытяжную систему выходящих из печи газов, содержащих пары диффузанта.

Основной причиной неоднородности и невоспроизводимости результатов диффузии служит то обстоятельство, что поток в диффузионной трубу весьма неравномерен, он образует спиральные завихрения, которые при низких скоростях потока более ярко выражены [9]. Тем не менее диффузия в потоке газа-носителя широко используется в производстве полупроводниковых приборов. За последнее время диаметр пластин кремния увеличился до 10 см и более, в связи с чем было уделено особое внимание усовершенствованию аппаратуры для диффузии в потоке газа, увеличению точности поддержания таких параметров, как температура процесса, скорости потоков газов-реагентов и газов-носителей. В целях контроля и регулирования всего процесса используется ЭВМ.

1.2.3. Диффузия в замкнутом объеме (бокс-метод)

Метод диффузии в замкнутом объеме является промежуточным между методом диффузии в запаянной ампуле и методом открытой трубы. Подобно последнему методу полузакрытую ампулу помещают в печь, через которую продувается инертный газ, и давление паров диффузанта в полуоткрытой ампуле равняется атмосферному.

С другой стороны, подобно методу диффузии в запаянной ампуле, при проведении диффузии источник и кремниевые пластины находятся при одной и той же температуре, что создает известные трудности для получения диффузионных слоев с наперед заданными параметрами.

Бокс-метод обладает следующими преимуществами по сравнению с методом запаянных ампул:

1) значительно уменьшается расход кварца, так как пропадает необходимость каждый раз использовать новую ампулу;

2) уменьшается рабочий цикл, упрощается технология (ликвидируется откачка и отпайка ампул);

3) отсутствует опасность взрыва из-за расширения наполняющего ампулу газа при проведении диффузии.

Метод основан на том, что при нагревании в замкнутом объеме кремниевых пластин с окислом на поверхности и находящейся в тигле смеси SiO2 с окислом примеси, в боксе быстро устанавливается равновесие. Окисел примеси из смеси испаряется в атмосферу бокса и абсорбируется окислом на поверхности кремния до тех пор, пока содержание окиси примеси в окисле на поверхности кремния не станет равным его содержанию в смеси. В дальнейшем окисел примеси реагирует с кремнием по схеме:

2ЭO + Si ? 2Э + SiO2,

где ЭО - окисел примеси. Диффузия в кремний происходит не непосредственно из газовой фазы, а из слоя, являющегося поверхностным источником. Пленка окиси кремния также обеспечивает защиту кремния от эрозии.

Конструкции устройств для диффузии по бокс-методу приведены на рис. 1.7 [16]. На рис. 1.7,а устройство представляет собой вставленные одна в другую кварцевые ампулы. Внутрь ампулы с малым диаметром помещают платиновый контейнер с диффузантом и кварцевую кассету с пластинами кремния. Затем первая ампула вставляется в ампулу с большим диаметром, и вся система (полугерметичный контейнер) помещается в печь.

а) б)

Рис. 1.7. Схема устройства для диффузии примесей по методу замкнутого объема: а - ампула в ампуле; б - ампула с окном, закрываемым платиновой фольгой. 1 - силитовая печь; 2 - кварцевая ампула; 3 - лодочка с диффузантом; 4 - пластины кремния; 5 - платиновая проволока; 6 - платиновая фольга.

Другой тип полугерметичного контейнера приведен на рис. 1.7,б. Он состоит из кварцевой ампулы, у которой верхняя часть срезана по образующей цилиндра. Внутрь ампулы помещают источник примеси и кварцевые пластины. Затем края среза закрываются кварцевой крышкой. Для уплотнения между краями среза и крышкой прокладывают тонкую платиновую фольгу. Крышку закрепляют платиновой проволокой. Контейнер этого типа имеет меньшую утечку паров диффузанта, чем контейнер, состоящий из двух ампул.

При проведении диффузии важное значение имеет правильный выбор источника примеси. Во-первых, источник примеси должен обладать высокой степенью чистоты, чтобы исключить возможность загрязнения полупроводника атомами других элементов и особенно тех, атомы которых легко диффундируют в кремний. К таким элементам относятся золото, железо и цинк, являющиеся в кремнии акцепторами, и литий, обладающий донорными свойствами. Во-вторых, диффузант не должен давать нежелательных соединений с полупроводником, осложняющих процесс диффузии, и, в-третьих, диффузант по возможности не должен быть токсичным, а также дефицитным или дорогостоящим.

Источником бора в этом методе служит окись бора или борная кислота, помещаемые в специальный алундовый тигелек. Для диффузии фосфора используют P2O5 и его смесь с CaO. Точка плавления смеси (93% P2O5, 7% CaO) - 500°C [3].

Однородность легирования этим методом тем выше, чем ближе поверхностная концентрация примеси к предельной растворимости при температуре диффузии.

Как отмечается в [9], практическое осуществление этого метода выявило многие его недостатки. Бокс для диффузии должен быть закрыт достаточно плотно (во избежание сильной утечки паров окиси примеси), но в то же время быть негерметичным настолько, чтобы обеспечить поступление O2 для окисления кремния. Скорость утечки паров примеси колеблется от процесса к процессу, что сильно влияет на результаты. Если поверхность источника меньше поверхности пластины, то источник быстро истощается, и это также ухудшает воспроизводимость результатов. Однородность и воспроизводимость результатов улучшаются только при использовании в качестве первичных источников борных или фосфорных стекол, которые становятся жидкими при температуре диффузии. Эти жидкие источники - высоколегированные, а это ограничивает возможности регулирования поверхностной концентрации и не позволяет получать низкие и средние поверхностные концентрации в одностадийном процессе диффузии.

Поскольку бокс-метод не дает возможности надежно задавать содержание примеси в слое окисла на поверхности кремния составом первичного источника, он не нашел широкого применения.

1.2.4. Стимулированная диффузия

В современной микроэлектронике наблюдается тенденция перехода на структуры с глубиной залегания p-n перехода до значений не более 0,1 мкм и, следовательно, уменьшения продолжительности процесса диффузии, окисления и отжига. Поэтому появились и получают развитие методы быстрой термической обработки (Rapid Thermal Processing) [3], в том числе методы лазерной стимулированной диффузии и ускоренной диффузии в тлеющем разряде. Быстрые термические процессы, или импульсная термическая обработка, базируются главным образом на использование интенсивного когерентного (лазерного) или некогерентного (светового) излучения. В качестве источников последнего используют галогенные лампы накаливания, ксеноновые дуговые лампы, графитовые нагреватели.

В зависимости от условий импульсного нагрева и, в первую очередь, от экспозиционной мощности излучения, процесс можно проводить как в твердой фазе (фотонный отжиг), так и с плавлением - рекристаллизацией (лазерный отжиг и диффузия). Для современной технологии наибольший интерес представляет твердофазный режим благодаря соответственно другим технологическим операциям. В этом случае используют примесные покрытия, жидкие и газообразные источники.

Если пластину, находящуюся в атмосфере легирующего элемента, например, PCl3, BCl3, B(CH3)3, B(C2H5)3, B2H6, подвергать воздействию импульсов лазерного излучения, приповерхностные области расплавляются, при этом удаляется получать очень мелкие бездефектные слои с высокой концентрацией примеси. Благодаря сильному различию коэффициентов диффузии примеси в жидкой и твердой фазе, толщина легированного слоя определяется толщиной расплавленного слоя, а концентрация примеси зависит от ее растворимости в жидкой фазе.

2. ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПРОЦЕССА ДИФФУЗИИ И КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ДИФФУЗИОННЫХ СЛОЕВ

В данном дипломном проекте рассматривается технология изготовления p-n перехода в кремниевых солнечных элементах методом диффузии примесей в кремний. Для проведения процесса диффузии полупроводниковые пластины кремния подвергаются высокотемпературной обработке, проводимой в диффузионной печи.

Принцип работы диффузионной печи основан на явлении резистивного нагрева. Резистивным называется нагрев проводящего тела при прохождении через него электрического тока. Для выделения тепла в твердом проводнике в основном используется переменный электрический ток. Применение постоянного тока затруднено и экономически невыгодно из-за отсутствия источников (генераторов) большой силы тока и низкого напряжения, которые необходимы для выделения тепла в твердом проводнике, обладающем высокой электропроводностью.

Явление выделения тепла в проводнике при пропускании тока нашло применение в печах прямого (контактного) и косвенного нагрева.

В печах сопротивления прямого нагрева ток подводится непосредственно к нагреваемому изделию. Диффузионные печи являются печами сопротивления косвенного нагрева, у которых в качестве рабочего тела используют специальные нагреватели, выполненные из высокоомных жаропрочных материалов. При этом передача тепла нагреваемому изделию осуществляется излучением. Преимуществами печей сопротивления косвенного нагрева являются простота регулирования температуры и получение требуемого распределения температуры в печи.

Для проведения процессов диффузии при выполнении экспериментальной части дипломного проекта использовалась резистивная печь СУОЛ-044 12-М2-У42, функциональная схема и изображение которой представлены на рис. 2.1.